Un Modello di Pila a Combustibile a Carbonati Fusi

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1 Torna al programma Un Modello di Pila a Combustibile a Carbonati Fusi S. Canevese A. De Marco G. Moretti V. Prandoni SpA ENERSIS 2004, Milano 1-2 aprile 2004

2 Sommario Celle a combustibile: introduzione Possibili approcci modellistici Modello 2-3D di una cella a carbonati fusi struttura del modello simulatore validazione e transitori Conclusioni e sviluppi

3 Introduzione Fuel Cells (celle a combustibile): generatori elettrochimici dotati di alta efficienza di conversione elettrica (assenza di fiamma); basse emissioni inquinanti (CO 2, NO x, ): infatti H 2 + 1/2 O 2 H 2 O adattabilità di taglia (grazie alla modularità); continuità dell erogazione di corrente (a differenza delle normali batterie). Varie tecnologie in fase di sviluppo più o meno avanzato, per impianti fissi, mobili, veicoli; esempi: PAFCs,PEMs, SOFCs e

4 Introduzione Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) in particolare 650 C 250kW-1MW Realizzazione di un impianto dimostrativo ibrido presso il

5 Impianto ibrido ad alta efficienza Integrazione MCFC innovativa (125KWe) DC/AC _ + CH 4 H 2 O Vessel anodo catodo Scambiatore (REGEX) reformer comb. catalitico CELLA A COMBUSTIBILE mixer Vessel alla turbina Vessel aria dal compressore Riscaldatore Aria/Fumi VTby VTb VTa V01 VVL combustibile Microturbina a gas (60kWe) Caldaia a Recupero Scambiatore Rigenerativo Valvola di Off-Loading Camera di Albero Combustione MICROTURBINA Alternatore aria Compressore Turbina

6 Impianto ibrido ad alta efficienza Problema: realizzare un modello della MCFC. Motivazioni: supporto alla progettazione di impianto studio delle procedure di esercizio studio delle funzioni di controllo (anche in condizioni di emergenza)

7 Struttura MCFC Stack di celle elementari in serie dal punto di vista elettrico in parallelo per i flussi gassosi e le reazioni

8 Struttura MCFC Cella elementare: struttura a strati (planare) Piastre separatrici Elettrodi Elettrolita Gas anodici (H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O) Diffusori Gas catodici (O 2, CO 2, N 2, H 2 O)

9 Approccio 2-3D: Modelli per il controllo Approcci 0-D (1 Volume di Controllo per gas anodici e 1 per gas catodici) predizione non affidabile delle variabili globali di uscita Flusso gas anodici flusso gas catodici (cross flow): reazioni anodo-catodo accoppiate Ingresso catodo canali/nodi anodici e catodici strati D A Ingresso anodo C B Approccio 1-D (più elementi di volume lungo la direzione del moto) non adeguato

10 Modello di MCFC elementare Stack di celle elementari: si assume che le portate di gas in ingresso (anodo e catodo) si suddividano ugualmente tra le singole celle modello di cella elementare. Modello basato su princìpi primi (equazioni di conservazione massa, energia, quantità di moto, carica) e su equazioni costitutive. 2 gruppi di equazioni, differenziali a derivate parziali e algebriche, tra loro interagenti: eq. termiche ed (elettro)chimiche; eq. idrodinamiche.

11 MCFC elementare: reazioni ANODO: H 2 percorre il canale e diffonde, attraverso il diffusore, nell elettrodo (mezzo poroso che funge da catalizzatore), che è bagnato dall elettrolita (CO 3 --, Li +, K + ) H 2 adsorbito da siti liberi dell elettrodo H 2 + CO H 2 O + CO 2 + 2e CATODO: analogamente per O 2 e CO 2 1/2 O 2 + CO 2 + 2e CO ANODO: reazione di shift: CO + H 2 O H 2 + CO 2

12 Modello termochimico flusso gas anodici x A z flusso gas x C catodici Conservazione energia in un canale: e h ' ρa + w = Γgd ( Td T ) + Γgp ( T p T ) + wlat ( e t x Conservazione massa componente i in un canale: fi fi ' * * ρ A + w = wlat ( fi fi ) + H gd ( fi fi ) t x * e)

13 Modello termochimico flusso gas anodici x A z flusso gas catodici x C Conservazione energia nel mezzo poroso Conservazione massa componente i negli strati Condizioni al contorno, rispetto all elettrolita (flussi di massa nulli) e rispetto al diffusore (radiation conditions).

14 Eq. idrodinamiche Per ogni canale anodico e catodico: conservazione massa globale del gas: w t ρ A t wu x A + p x w x conservazione quantità di moto: + + = τ = frd Ω w gd ' lat + τ frvp Ω gr

15 Modello elettrico Suddividendo la cella in strisce (N,k): fem di Nernst: E Nernst 0 = + E C C A RT O CO H CO ln 2 F CO H O CO 3 C 2 A 2 A A principi di Kirchoff: V ( ) + E G i N ernst, N, k N, k N, k CA = E Nernst, N, k G N, k G e s t G N, k.

16 Programma di simulazione Procedura numerica che garantisce precisione, stabilità, facilità di realizzazione e flessibilità per costruire modelli di impianti di cui la cella è un sottosistema. Algoritmo di soluzione numerica implementato in linguaggio C e integrato in ambiente MATLAB- Simulink mediante funzionalità S-Function...

17 Programma di simulazione

18 Validazione del modello Parametri fisico-geometrici ricavati da letteratura Identificazione coefficienti di scambio e resistenza elettrica interna in prova relativa al punto di lavoro 2 (valori stimati mantenuti fissi nelle altre prove). Confronto con risultati di sperimentazione: stack di 14 celle attive, 700 cm 2 di area utile ciascuna; ingressi imposti: portate e temperature dei gas anodici e catodici in ingresso e relative frazioni massiche, e a circuito chiuso conduttanza di carico; 3 condizioni di funzionamento; le temperature sperimentali sono relative a più celle nelle tabelle si riporta una temperatura media di stack.

19 Prova 1: regime a circuito aperto Circuito aperto tensione a vuoto: Dati sperimentali Modello Tensione media di cella 927,4 mv ± 0,9mV 926,8 mv Temperatura uscita anodo ~ 925 K 928 K Temperatura uscita catodo ~ 925 K 928 K Profili di temperatura di bulk dei gas nei canali (anodici e catodici) calcolati:

20 Prova 2: regime I= 70A, P=642W Dati sperimentali Modello Consumo di H 2 anodo 60 % 60,4 % Consumo di CO 2 catodo 22 % 21,7 % Temperatura uscita anodo ~ 945 K 948 K Temperatura uscita catodo ~ 945 K 938 K

21 Prova 3: regime I= 70A, P=700W Dati sperimentali Modello Consumo di H 2 anodo 51 % 51,22 % Consumo di CO 2 catodo ~ 22 % 21,5 % Temperatura uscita anodo ~ 945 K 946 K Temperatura uscita catodo ~ 945 K 937 K

22 Transitori Stack di 150 celle, area utile 0.8m 2 ; circuito aperto alla temperatura di esercizio connessione con carico esterno per avere potenza erogata nominale a 110kW; ingressi imposti: Anodo Catodo Pressione in ingresso ai canali 3.498E5 Pa 3.516E5 Pa Pressione in uscita dai canali 3.479E5 Pa 3.493E5 Pa Temperatura gas ingresso canali 870 K 875,89 K Frazione massica CO 2 in ingresso Frazione massica H 2 in ingresso Frazione massica N 2 in ingresso Frazione massica CO in ingresso Frazione massica CH 4 in ingresso Frazione massica H 2 O in ingresso Frazione massica O 2 in ingresso

23 Transitori Temperatura uscita canali anodici e catodici: Frazioni massiche anodo e catodo: N 2 CO 2 H 2 O CO 2 CO H 2 O 2 H 2 O CH 4

24 Transitori Tensione e potenza dello stack: Profilo di temperatura per anodo e catodo:

25 FINORA... Conclusioni e sviluppi futuri Descrizione di un modello 2-3D di (stack di) MCFC per la produzione di energia elettrica. Programma numerico, basato su S-functions, che implementa il modello e che permette di simulare il comportamento della cella, anche in transitorio. A QUESTO PUNTO... Torna al programma Modello elettrochimico: ulteriori indagini, per capire limiti dinamici di funzionamento.